KR101944584B1 - Isolating water transport plates from elastomer seals - Google Patents
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Abstract
연료 전지 적층체(11)는 복수의 인접한 연료 전지(13)를 포함하고, 각각의 연료 전지는 다공성의 애노드 송수판(22) 및 캐소드 송수판(18) 사이에 개재된 단일화된 전극 조립체(15)를 포함한다. 외부 매니폴드(27)와 함께 밀봉부를 형성하기 위해서, 실리콘 고무(29) 또는 다른 탄성중합체가 연료 전지를 커버하는 지역에서, 송수판의 인접한 엣지가, 탄성중합체-불투과성 재료(34)로 대체되거나 탄성중합체-불투과성 재료(34)로 보강된다. 이는, 충분한 소수성을 유발하여 반응물 가스를 냉각제 물로부터 격리시키는데 필요한 물 기포 압력을 감소 또는 제거할 수 있는 WTP에 대한 탄성중합체의 주입을 방지하고, 그에 의해서 냉각제 펌프의 기체 억제(inhibition)를 방지한다. 미리 형성된 삽입체(34)가 몰딩될 때 송수판 내로 주조될 수 있을 것이고, 또는 유동적 형태의 용융가능하거나 경화가능한 비-탄성중합체의, 탄성중합체-불투과성 재료가 이미 형성된 송수판의 기공 내로 침착될 수 있고, 이어서 용융되거나 경화될 수 있을 것이다.The fuel cell stack 11 includes a plurality of adjacent fuel cells 13 and each fuel cell includes a single electrode assembly 15 (see FIG. 1) interposed between the anode anode water supply plate 22 and the cathode water supply plate 18 ). In the region where the silicone rubber 29 or other elastomer covers the fuel cell, adjacent edges of the water delivery plate are replaced by an elastomer-impermeable material 34 to form a seal with the external manifold 27 Or reinforced with an elastomer-impermeable material 34. This prevents the injection of the elastomer to the WTP, which can cause sufficient hydrophobicity to reduce or eliminate the water bubble pressure required to isolate the reactant gas from the coolant water, thereby preventing gas inhibition of the coolant pump . The preformed insert 34 may be cast into the transfer plate as it is molded or it may be cast in a fluid form of a meltable or hardenable non-elastomeric polymer, the elastomer- And subsequently melted or cured.
Description
정부는 FTA 국가 연료 전지 버스 프로그램-넛멕 프로그램(FTA National Fuel Cell Bus Program-Nutmeg Program)에 관한 계약 번호 제FTA MA-04-7002호에 의해서 본 발명 및 그에 대해서 허여된 모든 특허에 대해서 권리를 가질 수 있다.The Government has the right to the invention and all patents granted to it by the Contract No. FTA MA-04-7002 on the FTA National Fuel Cell Bus Program-Nutmeg Program .
전형적으로 송수판(WTP)으로 지칭되는, 하나의 표면 상의 물 채널 및 대향 표면 상의 반응물 가스 채널을 가지는 다공성의 친수성 연료 전지 기판은, 탄성중합체 밀봉부 재료와의 접촉으로 인해서 시간 경과에 따라 WTP가 소수성이 될 수 있는 WTP의 모서리 내에서, 탄성중합체 불투과성 재료를 가지며, 그에 따라 물 및 기포 압력을 제거하고 이는 가스가 냉각제로 혼합(crossover)되는 것을 방지한다.A porous hydrophilic fuel cell substrate having a water channel on one surface and a reactant gas channel on an opposing surface, typically referred to as a water distribution plate (WTP), has a WTP Within the corners of the WTP, which can be hydrophobic, it has an elastomeric impermeable material, thereby eliminating water and bubble pressure, which prevents the gas from crossover into the coolant.
도 1을 참조하면, 단일화된 전극 조립체(15) 내에서, 기체 반응물을 양성자 교환 격막 전해질로 인가하는 연료 전지(13)의 공지된 적층체(stack)(11)가 다공성의 친수성 분리판을 채용하는 유형일 수 있을 것이며, 그러한 분리판은, 전형적으로, 각각의 기판의 하나의 표면 상의 기체 반응물 홈 및 대향 표면 상의 냉각제를 위한, 전형적으로 물을 위한, 홈(16)을 가진다. 하나의 연료 전지의 캐소드(cathode) 송수판(18)은 반응물 가스 홈(19) 내에서 산화제를 유동시키고, 그와 접촉되는, 인접한 연료 전지의 애노드 송수판(22)은 그 반응물 가스 홈(23) 내에서 연료를 유동시킨다. 연료 및 산화제가 송수판의 기공 내의 물에 의해서 서로로부터 격리되고, 그러한 기공의 모세관력은 기포가 물을 통과하기 위해서 특정 압력을 가질 것을 요구하고, 그러한 압력은 기포 압력이라 지칭된다. Referring to Figure 1, in a unified
연료 전지 적층체가 조립됨에 따라, 송수판의, 서로에 대한 그리고 단일화된 전극 조립체에 대한, 치수적 공차 및 배치 공차는, WTP(18, 22) 및 단일화된 전극 조립체(15)의 상이한 높이들에 의해서 설명되는 바와 같이, "스카이라인(skyline)"으로 명명되는 기판 엣지 오정렬을 초래한다. 그로 인해서, 산화제 매니폴드(27)와 같은, 외부 반응물 가스 매니폴드의 표면에 대해서 연료 전지 엣지를 밀봉하기 위한 비교적 매끄러운 지역을 제공하기 위해서, 실리콘 고무(rubber)(29)와 같은 탄성중합체 충진제가 연료 전지의 고르지 못한 엣지 표면으로 도포된다. 이는, 양자 모두가 본원에서 참조로 포함되는 미국 특허 6,660,422 및 7,122,384에 기재된 바와 같이, 고무 가스켓(30)을 위한 충분이 매끄러운 베드(bed)를 매니폴드(27)의 엣지와 실리콘(29) 사이에 제공한다. 일부 경우에, 유전체일 수 있는 얇은 강성 스트립이 고무 가스켓과 실리콘(29) 사이에 제공된다. As the fuel cell stack is assembled, the dimensional tolerances and placement tolerances of the water delivery plates to each other and to the unified electrode assembly are greater than the dimensional tolerances of the
매니폴드(27)가 연료 전지(13)에 대해서 밀봉되는 지역에서, 채널(19, 23)로부터 채널(16) 내의 냉각제로의 반응성 가스의 누출이, 냉각제 펌프가 기능을 하지 못하게 되는 정도까지 발생된다는 것을 발견하였다. 이러한 것이 모든 연료 전지 적층체 내에서 발생되고, 적층체의 수명을 제한한다. 실리콘의 새로운(fresh) 층 및/또는 새로운(new) 고무 가스켓(30)과 같은, 밀봉부의 외부 부분의 교체는 대부분의 경우에 효과적이지 않다는 것도 발견되었다. 전형적으로, 적층체가 재조립되어야 한다. 분해 후에, 영향을 받은 전지는 쓸모 없게 되고, 기껏해야, 재료가 재활용된다.In regions where the
도 2를 참조하면, 반응물 가스 채널과 물 채널 사이의 누출이 WTP 내의 기포 압력의 손실에 의해서 발생된다는 것이 이제 발견되었다. Referring now to FIG. 2, it has now been discovered that the leakage between the reactant gas channel and the water channel is caused by a loss of bubble pressure within the WTP.
이러한 것이 다시, 화살표(32)에 의해서 도시된 바와 같이, 연료 전지 구성요소의 엣지에서의 밀봉부로부터 송수판(18, 22)의 다공성 구조물 내로의, 실리콘과 같은, 탄성중합체의 주입(infusion)에 의해서 유발된다는 것을 추가적으로 확인하였다. This again infuses the elastomeric polymer, such as silicon, into the porous structure of the
탄성중합체는 매우 소수성이며, 기공을 충진하지 않으면서, 기공의 기존 표면을 코팅하고, 그에 따라 실리콘이 침범한 지역은 소수성이 된다. 주입 정도가 충분할 때, 반응물 가스(전형적으로, 고압)가 물 채널(16)(전형적으로, 저압) 내로 전달된다. 냉각제 시스템은 결국, 냉각제 펌프가 냉각제 액체를 더 이상 효과적으로 추진하지 못하여 시스템의 중단을 유발하기에 충분한 정도로, 가스를 동반하게 된다. The elastomer is very hydrophobic and coats the existing surface of the pores without filling the pores, so that the area where the silicone has penetrated becomes hydrophobic. When the degree of injection is sufficient, a reactant gas (typically, high pressure) is delivered into the water channel 16 (typically, low pressure). The coolant system eventually entrains the gas to a sufficient degree to cause the coolant pump to no longer effectively propel the coolant liquid and thus cause the system to stop.
본원에서의 양태는, 탄성중합체 밀봉 부재 근처의 WTP의 각각의 엣지에서, 탄성중합체가 WTP 내로 주입되는 것을 차단하는 탄성중합체-불투과성 재료를 제공한다. 이러한 양태는, 탄성중합체가 WTP의 엣지를 소수화하는 것을 방지하고, 기포 압력의 손실을 배제하고, 냉각제 시스템 내로의 가스의 주입을 방지한다. 재료는, WTP의 전체 두께에 대해서, 탄성중합체를 지나서 그리고 WTP 내에서 짧은 거리로, 약 1cm(1/3 인치)로 연장한다. Embodiments herein provide an elastomer-impermeable material that, at each edge of the WTP near the elastomeric sealing member, blocks the elastomer from being injected into the WTP. This embodiment prevents the elastomer from hydrophobizing the edge of WTP, eliminating the loss of bubble pressure and preventing the injection of gas into the coolant system. The material extends about 1 cm (1/3 inch) over the entire thickness of the WTP past the elastomer and within a short distance within the WTP.
재료가 미리 주조될 수 있을 것이고 WTP이 형성될 때 WTP 내로 몰딩될 수 있을 것이다. 대안적으로, 재료가 WTP의 마스크 처리되지 않은 부분의 기공 내에서 유동적(fluent) 형태로 침착(deposited)될 수 있고, 이어서 WTP 몰딩 온도 하에서의 용융(fusing) 또는 경화에 의해서, 응고된다. The material may be pre-cast and molded into the WTP when the WTP is formed. Alternatively, the material may be deposited in a fluent form in the pores of the unmasked portion of the WTP, and then solidified by fusing or curing under WTP molding temperature.
첨부 도면을 참조하여 설명된, 예시적인 실시예에 관한 이하의 구체적인 설명을 고려할 때 다른 변형예가 보다 명확해질 것이다.Other variants will become more apparent in light of the following detailed description of exemplary embodiments, which has been described with reference to the accompanying drawings.
도 1은, 고무 가스켓 및 실리콘 밀봉부를 가지는 외부 매니폴드의 엣지 아래의, 과장된 비율로 도시된, 연료 전지 구성요소의 단편적 사시도이다.
도 2는 WTP 내로의 실리콘의 주입을 도시한, 도 1의 단편적 사시도이다.
도 3은 이러한 양태에 따른 실리콘-불투과성 삽입체를 포함하는, 도 1의 단편적 사시도이다.
도 4는, 과장된 비율로 도시된, WTP의 몰딩 이전에 실리콘-불투과성 삽입체가 내부에 정렬된(registered) 형틀의 모서리의 단편적 사시도이다.
도 5 내지 도 7은 본 양태의 실리콘-불투과성 삽입체의 대안적인 실시예의 단편적 사시도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a fragmentary perspective view of a fuel cell component, shown at an exaggerated ratio, below the edge of an external manifold with a rubber gasket and a silicone seal.
Figure 2 is a fragmentary perspective view of Figure 1 showing the injection of silicon into the WTP.
Figure 3 is a fragmentary perspective view of Figure 1, including a silicone-impermeable insert according to this aspect.
4 is a fragmentary perspective view of the edges of the mold registered in the silicon-impermeable insert prior to molding of the WTP, shown in exaggerated proportions.
5-7 are fragmentary perspective views of an alternative embodiment of the silicone-impermeable insert of this embodiment.
도 3을 참조하면, 본 양태의 제1의 일반적인 실시예는, 실리콘(29)의 영역 내의 각각의 WTP의 엣지에서 미리 형성된 탄성중합체-불투과성 삽입체(34)에 의해서 송수판(WTP) 내로 실리콘이나 다른 탄성중합체가 주입되는 것을 방지한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "영역 내" 및 "근접부 내"라는 문구는 미래의 이용(future use)을 위해서 계획된 것을 포함한다. 삽입체(34)는 실리콘이 송수판 내로 주입되는 것을 방지하고 송수판의 기포 압력의 임의의 붕괴(breakdown)를 방지한다. Referring to Figure 3, a first general embodiment of the present embodiment is shown in Figure 3, with the elastomer-
몰드를 그라파이트/수지(또는 적절한 다른 혼합물)로 충진하기에 앞서서 몰드(36)의 모서리 내로 삽입체(34)를 배치하는 것에 의해서 삽입체(34)가 제공될 수 있을 것이다(도 4). 도 4에서, 몰드 측부 및 하단의 인접한 면(38-40) 만이 도시되어 있다. 통상적인 그라파이트/수지 혼합물로 몰드를 충진하고 WTP를 몰딩하는 프로세스 중에 몰드 내에서의 적절한 정렬 보장을 돕기 위해서, 핀(43)이 몰드의 하단 표면(38)에 부착되어, 삽입체(34)를 단지 부분적으로 통과하는 홀(44)을 안내한다. The
몰딩 프로세스 중에 삽입체(34)를 WTP에 결합하는 것을 보조하기 위해서, 삽입체(34)의 WTP에 대한 결합을 보조하기 위한 일부 표면 확대부가 제공된다. 도 4의 실시예에서, WTP와 인접하게 될 삽입체(34)의 2개의 개별적인 엣지(50, 51)의 각각에 슬롯(46, 47)이 존재한다. In order to assist in coupling the
도 5는, 삽입체(34)와 WTP(18, 22) 사이의 접착력을 증가시키기 위해서, 파동형(wavy) 표면(53)이 슬롯(46, 47) 대신에 이용될 수 있다는 것을 도시한다. 파동형 표면(53)은 부드럽게 물결화될 수 있고, 급격할 수 있고, 또는 더 톱날과 유사할 수 있을 것이다. 그러나, 접착이 요구되는 WTP의 엣지에 대체로 수직인 표면을 제공하는 것이 유리하다. Figure 5 illustrates that a
도 6은, 홀(55)을 이용하여 표면적을 증가시킬 수 있다는 것 그리고 삽입체(34)와 WTP(18, 22) 사이의 접착을 개선할 수 있다는 것을 도시한다. Figure 6 illustrates that the use of
도 7은, 리브(56)을 이용하여 표면적을 증가시킬 수 있다는 것 그리고 삽입체(34)와 WTP(18, 22) 사이의 접착을 개선할 수 있다는 것을 도시한다. FIG. 7 illustrates that the
홀 및 핀(43, 44) 대신에, 몰드(36)에 대해서 삽입체(34)를 색인화(indexing)하기 위한 다른 기구(provision)가 이용될 수 있을 것이다. 그러나, 탄성중합체/실리콘이 선택된 임의의 색인 수단을 통한 통로를 반드시 성취하여야 할 필요는 없다. Another provision for indexing the
발명의 제2의 일반적인 실시예에서, 예비-성형체(pre-form)를 몰딩된 WTP로 주조하는 대신에, WTP가 통상적인 방식으로 완성될 수 있을 것이고, 이어서 탄성중합체-불투과성 재료가 요구되는 곳을 제외하고 하나의 표면 상에서 마스크 처리된다. 이어서, 유동적 형태의 융합가능 또는 경화가능한, 비-탄성중합체의, 탄성중합체-불투과성 재료가 탄성중합체 밀봉부의 근접부에서 WTP의 전체 두께의 기공 내로 침착되고 그리고 후속하여 용융되거나 경화된다. In a second general embodiment of the invention, instead of casting the pre-form into a molded WTP, the WTP would be able to be completed in a conventional manner, followed by the use of an elastomer-impermeable material Masked on one surface. The elastomer-impermeable material of the flexible form of a fusible or curable, non-elastomeric polymer is then deposited into the pores of the full thickness of WTP in the vicinity of the elastomeric seal and subsequently melted or cured.
유동적 재료는, 비-탄성중합체의, 탄성중합체 불투과성의, 용융가능 플라스틱, 또는 비스무트, 납, 주석 및 카드뮴으로부터 선택된 공정(eutectic) 혼합물의 적절한 미세 분말일 수 있을 것이다. The fluid material may be a suitable fine powder of a non-elastomeric, elastomeric, impermeable, meltable plastic or eutectic mixture selected from bismuth, lead, tin and cadmium.
개시된 실시예의 변화 및 변경이 개념의 의도로부터 벗어나지 않고도 이루어질 수 있기 때문에, 첨부된 청구항에 의해서 요구되는 것 이외로 개시 내용을 제한하고자 하는 의도는 없다.There is no intention to limit the disclosure to the extent required by the appended claims, since changes and modifications of the disclosed embodiments may be made without departing from the spirit of the concept.
Claims (16)
외부 매니폴드(27)가 연료 전지에 대해서 밀봉되는 지역에서 상기 연료 전지의 엣지를 커버하는 탄성중합체 밀봉체(29)를 포함하는, 연료 전지 적층체(11)에 있어서:
탄성중합체 밀봉체의 근접부에서 각각의 송수판의 전체 두께 내에 배치되는 탄성중합체-불투과성 재료를 포함하는 삽입체(34)를 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). An electrode assembly (15) comprising a plurality of mutually adjacent fuel cells (13), each fuel cell comprising a cathode catalyst and a proton exchange membrane interposed between the catalyst support and an anode catalyst and a catalyst support, A porous hydrophilic anode water delivery plate (18) disposed, a porous hydrophilic cathode water delivery plate (22) arranged adjacent to the cathode catalyst support;
A fuel cell stack (11) comprising an elastomeric seal (29) covering an edge of the fuel cell in an area where an external manifold (27) is sealed to the fuel cell, wherein:
A fuel cell stack (11) characterized by an insert (34) comprising an elastomer-impermeable material disposed within the entire thickness of each water delivery plate at a proximal portion of the elastomeric seal.
상기 삽입체(34)가 탄성중합체-불투과성 재료로 미리 형성되고 상기 송수판이 몰딩될 때 관련된 송수판 내로 주조되는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11).The method according to claim 1,
Characterized in that said insert (34) is prefabricated with an elastomer-impermeable material and cast into an associated water delivery plate when said water delivery plate is molded.
송수판과 접촉하는 각각의 삽입체(34)의 엣지가 접촉력-증가 표면 확대부(46, 47; 53; 55; 56)를 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). 3. The method of claim 2,
The fuel cell stack (11) according to any one of the preceding claims, further comprising an edge of each of the inserts (34) in contact with the water distributing plate (20) comprises a contact force-increasing surface enlarging portion (46, 47; 53; 55; 56).
상기 접착력-증가 표면 확대부가 슬롯(46, 47)을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). The method of claim 3,
Wherein the adhesion-increasing surface-widening portion comprises slots (46, 47).
상기 접착력-증가 표면 확대부가 하나 이상의 홀(55)을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). The method of claim 3,
Further comprising the at least one hole (55). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 접착력-증가 표면 확대부가 파동형 표면(53)을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11).The method of claim 3,
Wherein the adhesion-increasing surface enlargement comprises a wavy surface (53).
상기 접착력-증가 표면 확대부가 리브(56)를 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). The method of claim 3,
Further comprising a rib (56). ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 탄성중합체-불투과성 재료가 비-탄성중합체 플라스틱을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). The method according to claim 1,
The fuel cell stack (11) further characterized in that the elastomer-impermeable material comprises non-elastomeric plastic.
상기 탄성중합체-불투과성 재료가 금속을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). The method according to claim 1,
The fuel cell stack (11) further characterized in that the elastomer-impermeable material comprises a metal.
상기 탄성중합체-불투과성 재료가, 탄성중합체 밀봉체의 근접부에서 각각의 송수판의 전체 두께의 기공 내에서 유동적 형태로 침착되고 이어서 그 자리에서 용융 또는 경화되는, 용융가능한 또는 경화가능한, 비-다공성, 비-탄성중합체를 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11).The method according to claim 1,
Wherein the elastomer-impermeable material is deposited in a fluid form in the pores of the total thickness of each of the water delivery plates in the vicinity of the elastomeric seal and then melted or cured in situ, A fuel cell stack (11) further characterized by comprising a porous, non-elastomeric polymer.
상기 탄성중합체-불투과성 재료가 비-탄성중합체 플라스틱을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). 11. The method of claim 10,
The fuel cell stack (11) further characterized in that the elastomer-impermeable material comprises non-elastomeric plastic.
상기 탄성중합체-불투과성 재료가 금속을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). 11. The method of claim 10,
The fuel cell stack (11) further characterized in that the elastomer-impermeable material comprises a metal.
상기 탄성중합체-불투과성 재료가 비스무트, 납, 주석 및 카드뮴으로부터 선택된 공정 혼합물을 포함하는 것을 더 특징으로 하는 연료 전지 적층체(11). 13. The method of claim 12,
Wherein the elastomer-impermeable material comprises a process mixture selected from bismuth, lead, tin and cadmium.
상기 제공하는 단계가, 상기 송수판이 몰딩될 때, 상기 재료의 미리 형성된 삽입체(34)를 각각의 송수판(18, 22) 내로 주조하는 단계를 포함하는 것을 더 특징으로 하는 방법.15. The method of claim 14,
Wherein said providing step comprises casting a preformed insert (34) of the material into each of the water delivery plates (18, 22) when the water delivery plate is molded.
상기 제공하는 단계가, 용융가능한 또는 경화가능한, 비-다공성의, 비-탄성중합체의, 탄성중합체-불투과성 재료를 탄성중합체 밀봉체(29)의 근접부에서 각각의 송수판(18, 22)의 전체 두께의 기공 내에서 유동적 형태로 침착시키는 단계, 및 이어서 재료를 용융 또는 경화시키는 단계를 포함하는 것을 더 특징으로 하는 방법.
15. The method of claim 14,
The method of claim 1, wherein the providing step comprises applying a meltable or curable, non-porous, non-elastomeric, elastomer-impermeable material to each of the water delivery plates (18, 22) in the proximity of the elastomeric seal (29) In a fluid form in the pores of the total thickness of the first and second layers, and then melting or curing the material.
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